[发明专利]一种一阶纯时延炉温系统控制方法

摘要

本发明公开了一阶纯时延炉温系统控制方法，所述控制方法包括：S1：一阶纯时延模型参数设定及推导；S2：系统结构设计；S3：控制器设计；S4：对比仿真结果，得出结论。本发明所述设计的控制器结构，具有较好的跟踪输入信号和有效的抑制扰动信号的特征，可用于一阶纯时延炉温系统的控制。

主权项

1.一种一阶纯时延炉温系统控制方法，其特征在于：控制方法包括：S1：一阶纯时延模型参数设定及推导在工业控制领域，尤其是在金属材料加工、流体控制中，加热炉的炉温直接影响加工材料质量的好坏以及能源的利用效率，加热炉是一个具有纯时延和时间常数的温度，以加热炉为控制对象，其包括：u—电热丝两端电压；T₁—加热后炉内温度；Q_i—单位时间内电热丝产生的热量；电热丝质量为M，比热为C，传热面积为A，未加温前炉内温度为T₀，加温后的炉温为T₁，则根据热力学原理，即有Q_i与u的平方成比例，即Q_i与u为非线性关系，将其在平衡点(Q₀,u₀)进行线性化，得K_u＝ΔQ_i/Δu，则加热炉的增量方程为：式中：ΔT＝T₁‑T₀，T＝MC/HA，K＝K_u/HA由式(2)可得传递函数但实际加热炉系统在响应时具有一定热惯性，使系统存在时延τ，故加热炉炉温可以用一阶纯时延模型表示为：S2：系统结构设计其包括：X_r(s)为系统输入量、X_c(s)为系统输出量、G(s)为被控对象模型、G_f(s)为反馈通道控制器、D(s)为前馈通道控制器、X_d1(s)为系统输入扰动及X_d2(s)为系统输出扰动；则有：系统在输入量X_r(s)作用下的闭环传递函数为：系统在输入扰动X_d1(s)作用下的闭环传递函数为：系统在输出扰动X_d2(s)作用下的闭环传递函数为：S3：控制器设计：包括：前向通道控制器D(s)设计和反馈通道控制器G_f(s)设计这里，β为可调参数，当β＜1时，根据e指数函数的泰勒级数展开式则前向通道控制器D(s)可以写为：引理：考虑S2中所述的系统结构，使k_p＝α(τ+β)0≤α＜1(11)使：为保证闭环系统的稳定性，增益k_d可以设为：这里，表示系统的相位裕度，且0≤α＜1，β为可调参数，可以证明当选择α＝0.4，时闭环稳定性和鲁棒性均可满足；这样，增益k_d可以简化为：当给系统外加阶跃输入时，系统的响应：在阶跃输入扰动作用下的响应：在阶跃输出扰动作用下的响应：表明，系统具有良好的阶跃跟踪和阶跃扰动作用；S4：对比仿真结果，得出结论。